基于q軸電流擾動的孤島檢測方法

劉 劍，方厚輝，李先鋒

(1.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082；2.中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南長沙410082)

基于q軸電流擾動的孤島檢測方法

劉 劍1，方厚輝1，李先鋒2

(1.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082；2.中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南長沙410082)

提出了一種基于q軸電流擾動的孤島檢測方法。該方法通過引入q軸電流擾動，使RLC負載在電網因故障斷開時產生頻率偏移，從而檢測出孤島。引入的q軸電流擾動結合了無功功率變化和頻率變化，當系統在電網下運行時，無功功率變化和頻率變化接近于零。因此該方法具有非常小的諧波畸變率，保證了良好的電能質量。基于Matlab/Simulink軟件包的仿真結果表明，該方法在設定的參數條件下能在1 s內檢測到孤島現象，且對系統具有非常小的影響。

孤島檢測；電流擾動；頻率偏移；無功功率變化

現代化社會中，人們對舒適的建筑熱環境的追求越來越高，導致建筑采暖和空調的能耗日益增長。在發達國家，建筑用能已占全國總能耗的30%～40%，對經濟發展形成了一定的制約作用。為了減少電網用電，減輕公共電網壓力，提出了一種把可再生能源應用到建筑上的技術——BIPV(Building Integrated PV)，即光伏建筑一體化[1]。BIPV技術是將太陽能發電(光伏)產品集成到建筑上的技術，是分布式發電的一種。BIPV將光伏發電與建筑完美地結合在一起，很大程度減輕了電網的壓力。然而，BIPV的日益發展，勢必帶來光伏發電系統并網問題。由于光伏發電系統與電網并聯運行，當電網由于故障而斷電時，如果不能及時檢測到電網故障，就會出現光伏發電系統仍向局部電網供電的情形，形成孤島[2]。孤島效應危害檢修人員的生命安全和電力系統的安全運行[2]，因此光伏發電系統需要一種快速有效的檢測孤島的方法。

孤島檢測方法可分為兩大類：被動檢測和主動檢測。被動檢測中一種基本的方法就是過欠壓、過欠頻檢測法[3]，該方法通過檢測接入點電壓幅值、頻率是否出現異常來判斷孤島是否形成，從而切斷光伏發電系統，非常實用。但是當逆變器輸出功率與負載功率平衡時，存在檢測盲區。因此，近年來主動孤島檢測方法變得越來越重要。

主動檢測法中比較有代表性的有輸出功率擾動法[4-5]和頻率偏移法。輸出功率擾動法是通過對逆變器輸出功率的控制，使光伏發電系統輸出的有功功率發生周期性變化[2]。當孤島發生時，逆變器輸出端電壓由于功率擾動出現電壓變化，從而反應出孤島發生與否。但隨著光伏發電的發展，局部電網中光伏并網發電系統的數目會越來越多，在這種情況下，孤島發生時功率擾動對逆變器輸出電壓的影響會因相互干擾而變弱。頻率偏移法通過控制逆變器輸出電流的相位、頻率的變化，使接入點電壓相位、頻率跟隨發生變化，從而形成正反饋過程，最終接入點電壓的頻率超出正常的工作閾值而檢測出孤島的存在[6-7]。然而，頻率偏移法引入的有源擾動對電能質量會帶來負面影響。

針對以上孤島檢測方法的缺點，本文提出了一種q軸電流擾動法，該方法通過引入q軸電流擾動信號，使RLC負載在電網因故障斷開時產生頻率偏移，從而檢測出孤島。

1 孤島檢測分析

光伏并網系統孤島檢測原理如圖1所示。正常情況下，光伏系統和電網同時向負載供電。當電網出現故障斷開后，光伏系統獨立向負載供電。如果光伏逆變器輸出功率和負載功率近似匹配，如，這時很難檢測到電網斷開故障，從而形成孤島。

圖1 孤島檢測原理

圖1 功率流向關系為：

實際應用中光伏逆變器輸出的功率與負載功率之間存在一定的偏差，這個偏差可以用負載來表示。在電網斷開前，這個誤差可以由電網來補償，但當電網斷開后，負載端電壓和頻率將會改變為和。

由圖1可知，電網斷開前后負載端頻率分別為：

式(11)就是孤島效應的檢測盲區[8]。

2 q軸電流擾動法

圖2為q軸電流擾動法控制框圖[10]。

圖2 q軸電流擾動法控制框圖

3 仿真分析

孤島檢測控制框圖如圖3所示。在Matlab/Simulink環境下建立仿真電路圖，對q軸電流擾動法進行仿真研究。

圖3 孤島檢測控制框圖

電路圖的具體參數設置如下：光伏逆變器的額定功率為10 kW，開關頻率為10 kHz，并聯RLC負載=15.55 Ω，= 19.8 mH，=511.75 μF，負載品質因數為2.5，負載諧振頻率為50 Hz，電網額定相電壓為220 V，電網額定頻率為50 Hz。設定為10 kW，設定為0 Var，仿真結果如圖4所示。

圖4(a)為RLC負載端有功功率變化和有功功率需求波形圖；圖4(b)為RLC負載端的頻率波形圖。電網在0.56 s斷開，此時逆變器繼續向RLC負載輸送有功功率。1.5 s時，軸電流擾動信號使RLC負載端頻率脫離檢測盲區，觸發孤島保護，逆變器停止向RLC負載輸送有功功率。從電網斷開到逆變器停止向RLC負載輸送有功功率的總時間為0.94 s，滿足IEEE1547規定2 s的要求。

圖4 q軸電流擾動的仿真結果

4 結語

本文提出了一種基于q軸電流擾動的孤島檢測方法，通過理論分析和仿真研究驗證了這種方法的可行性。該方法具有非常小的檢測盲區，并且在電網下運行，對系統的擾動非常小，具有比較高的電能質量，而且一旦產生孤島，q軸電流擾動會使頻率迅速脫離檢測盲區，直到觸發孤島保護。仿真結果顯示檢測時間小于2 s，并且對電能質量幾乎沒有影響，證明了該方法的可行性、快速性和有效性。

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Novel islanding detection method based on q-axis current disturbance

A novel islanding detection method was put forward based on q-axis current disturbance.This method,by introducingq-axis current disturbance,made the RLC load generate frequency offset to detect the island in the case that the power network was disconnected due to certain fault.The introducedq-axis current disturbance was connected with reactive power variation and frequency variation whose values were close to zero when PV system was operated in grid-connected mode.Therefore, the suggested method had the advantage of tiny harmonic distortion and good power quality.The simulation results based on the MATLAB/Simulink software show that the novel islanding detection method could detect the island in 1 second and had little effects on the system under the condition of the set parameters.

island detection;current disturbance;frequency deviation;reactive power variation

TM 307

A

1002-087 X(2016)03-0669-03

2015-08-20

劉劍(1987—)，男，湖南省人，碩士，主要研究方向為建筑供配電。